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基于三光纤共球耦合的微测量力瞄准传感器的制造方法
【专利摘要】基于三光纤共球耦合的微测量力瞄准传感器属于精密仪器制造及测量技术；该传感器包括激光器、扩束准直镜、光纤耦合透镜、导管、显微物镜b、CCD相机b、显微物镜a、CCD相机a、计算机和由入射光纤、耦合器、出射光纤a、出射光纤b组成的探针，耦合器作为探针的触点，光束经入射光纤导入耦合器后分别由出射光纤a和出射光纤b导出，导出光束分别经显微物镜a、显微物镜b进入CCD相机a、CCD相机b，通过图像处理技术即可得到两束出射光束分别在CCD上形成的光斑能量中心位置，由CCD相机上光斑能量中心位置与传感器触测点在空间位置的一一对应关系即可得出传感器在空间的瞄准情况；本传感器可测深径比大，具有三维探测能力。
【专利说明】基于三光纤共球耦合的微测量力瞄准传感器
【技术领域】
[0001]本发明属于精密仪器制造及测量技术，特别涉及一种基于三光纤共球耦合的微测量力瞄准传感器。
【背景技术】
[0002]随着航空航天工业、汽车工业、电子工业以及尖端工业等的不断发展，对于精密微小构件的需求急剧增长。由于受到空间尺度和待测微小构件遮蔽效应的限制以及测量接触力的影响，微小构件尺寸的精密测量变得难以实现，尤其是微小内腔构件的测量深度难以提高，这些已然成为制约行业发展的“瓶颈”。为了实现更小的尺寸测量、增加测量深度，最广泛使用的办法就是使用细长的探针深入微小构件的内腔进行探测，通过瞄准发讯的方式测量不同深度上的微小内尺寸。因此，目前微小构件尺寸的精密测量主要以坐标测量机结合具有纤细探针的瞄准发讯式探测系统为主，由于，坐标测量机技术的发展已经比较成熟，可以提供精密的三维空间运动，因此瞄准触发式探针的探测方式成为微小构件尺寸探测系统设计的关键。
[0003]目前，微小构件尺寸测量的主要手段包括以下几种方法:
[0004]1.德国联邦物理技术研究院的H.Schwenke教授等人提出了一种微光珠散射成像法，实现了对探针测头位置信息的二维检测。该方法利用单光纤作为探针测杆，把微光珠粘接或者焊接到测杆末端，使光线耦合进入光纤内部传播到微光珠上形成散射，用一个面阵CCD接收散射光形成敏感信号，实现了微力接触式测量。后来H.Schwenke教授等人拓展了这种方法，在测杆上粘接了一个微光珠，同时增加了一路对该微光珠的成像光路，这使得该探测系统具有了三维探测能力，测量标准球时得到的标准偏差为0.2 μ m。据相关报道，此方法可实现测量Φ 151 μ m的孔径，测量深度为1mm。这种方法在测量深孔过程中，由于微光珠散射角度较大，随着测量深度的增加，微光珠散射成像光斑的质量由于散射光线受到孔壁遮挡而逐渐降低，导致成像模糊，降低了测量精度，因此无法实现大深径比的高精度测量。
[0005]2.中国哈尔滨工业大学谭久彬教授和崔继文博士等人提出一种基于双光纤耦合的探针结构，把两根光纤通过末端熔接球连接，熔接球作为测头，一根较长光纤引入光线，另外一根较短导出光线，克服了微光珠散射法测量深度的局限，可以实现对直径不小于
0.01mm、深径比不大于50: I的微深孔测量时的精确瞄准。这种方法目前仅能实现二维位置信息的检测，不具备三维探测能力。
[0006]3.美国国家标准技术研究院使用了单光纤测杆结合微光珠测头的探针，通过光学设计在二维方向上将光纤测杆成像放大35倍左右，用2个面阵CCD分辨接收二维方向上光纤测杆所成的像，然后对接收到的图像进行轮廓检测，从而监测光纤测杆的在测量过程中的微小移动，进而实现触发式测量，该探测系统的理论分辨力可以达到4nm，探测系统的探针测头直径为Φ75μπι，实验中测量了 Φ129μπι的孔径，其扩展不确定度估算值达到了70nm(k=2)，测量力为μ N量级。这种方法探测分辨力高，测量精度高，使用的测头易于小型化，可以测量较大深径比的微孔。该方法的局限是成像单元对光纤测杆的微位移放大倍数较低(仅有35倍)，必须通过图像算法进一步提高分辨力，探测光纤测杆的二维微位移必须使用两套成像系统，导致系统结构比较复杂，测量数据计算量比较大，这些因素导致探测系统的分辨力难以进一步提高，探测系统的实时性较差，系统构成比较复杂；且该方法目前仅具有二维探测能力。
[0007]4.中国哈尔滨工业大学谭久彬教授和王飞等人提出了一种基于单光纤探针测杆的一维微焦准直的测量方法，该方法利用单光纤探针测杆的超大曲率与微柱面透镜的结构特点组建了点光源一维微焦准直成像光路，通过测量成像亮条纹的能量中心的位置与条纹宽度，从而获得光纤探针测杆的二维位移量信息，若对该装置如下配置:光纤探针测杆半径为10 μ m,其折射率η=1.7,像距r=300mm,光电接收器像元尺寸为7 μ m,利用图像算法能够分辨0.1个像元的变化，其理论分辨力可达0.03nm。该方法所成像亮条纹的条纹宽度不易测量，同时在二维位移测量时，存在成像信息中的耦合问题，即成像亮条纹的能量中心的位置与条纹宽度的耦合问题。随后，崔继文等人又提出一种基于正交二维微焦准直的微孔测量方法，该方法解决了二维信息耦合的问题，但是该方法只能实现二维微尺度测量，不具备三维测量能力。
[0008]5.瑞士联合计量办公室研发了一个新型的坐标测量机致力于小结构件纳米精度的可追迹的测量。该测量机采用了基于并联运动学原理的弯曲铰链结构的新型接触式探针，该设计可以减小移动质量并且确保全方向的低硬度，是一个具有三维空间结构探测能力的探针。这一传感结构的测量力低于0.5mN,同时支持可更换的探针，探针测头的直径最小到ΦΙΟΟμπι。探测系统结合了一个由Philips CFT开发的高位置精度的平台，平台的位置精度为20nm。该测量系统测量重复性的标准偏差达到5nm，测量结果的不确定度为50nm。该种方法结构设计复杂，同时要求测杆具有较高的刚度和硬度，否则难以实现有效的位移传感，这使得测杆结构难以进一步小型化，测量深径比同时受到制约，探测系统的分辨力难以进一步提闻。
[0009]综上所述，目前微小尺寸和坐标探测方法中，由于光纤制作的探针具有探针尺寸小、测量接触力小、测量深径比大、测量精度高的特点而获得了广泛关注，利用其特有的光学特性和机械特性通过多种方式实现了一定深度上的微小尺寸的精密测量。现存测量手段主要存在的问题有:
[0010]1.探测系统的测量深度受限。德国PTB的微光珠散射成像法受遮蔽效应的影响，难以实现测量深度的提升，同时降低了系统探测精度。
[0011]2.探测系统的位移分辨力难以进一步提高。现存的探测系统的初级放大率较低，导致了其整体放大率较低，难以实现其位移分辨力的进一步提高。美国国家标准技术研究院采用的探测方法的光学测杆的光学光路放大倍率仅有35倍，较低的初级放大倍率导致了其位移分辨力难以进一步提高。
[0012]3.探测系统实时性差，难以实现精密的在线测量。美国国家标准技术研究院采用的探测方法必须使用两路面阵CCD接收信号图像，必须使用较复杂的图像算法才能实现对光纤测杆位移的高分辨力监测，这导致测量系统需要处理的数据量大大增加，降低了探测系统的实时性能，难以实现微小内腔尺寸和二维坐标测量过程中瞄准发讯与启、止测量的同步性。
[0013]4.三维位移方向探测能力不足。哈尔滨工业大学提出的基于双光纤耦合的探针结构和基于正交二维微焦准直的微孔测量方法都不具有三维探测能力，只能实现微尺度的二维测量，无法满足当前微尺度三维测量的需要。

【发明内容】

[0014]本发明的目的是克服微小构件尺寸测量方法现有技术中存在的不足之处，提供一种适用于大深径比微小构件尺寸测量的基于三光纤共球耦合的微测量力瞄准传感器，通过耦合器及显微物镜将传感器探针在微孔内的微小触测位移量转变为CCD图像捕捉系统的横向位移量，由图像质心定位算法实现对孔壁测量时的高精度三维瞄准。
[0015]本发明的技术方案是:一种基于三光纤共球耦合的微测量力瞄准传感器包括激光器、扩束准直镜、光纤耦合透镜、导管、探针、显微物镜a、CCD相机a和计算机，数据线将CCD相机a与计算机连通，探针置于待测微孔内，所述探针包括入射光纤、耦合器和出射光纤a，耦合器作为探针的触点分别与入射光纤和出射光纤a连接，激光器发出的光束经扩束准直镜和光纤I禹合透镜后进入入射光纤，光束经入射光纤导入I禹合器后由出射光纤a导出，导出光束经显微物镜a进入CCD相机a，所述探针还包括出射光纤b，所述出射光纤b与耦合器连接，且出射光纤b的末端呈80-100°弯曲状，光束经入射光纤导入耦合器后由出射光纤b导出，导出光束经显微物镜b进入CXD相机b，数据线将CXD相机b与计算机连通。
[0016]本发明的优点是:
[0017]1.传感器中的出射光纤a与出射光纤b对于沿轴方向作用力和垂轴方向作用力均会产生响应，且作用力之间相互解耦，因而可以实现三维空间位置信号探测，即本传感器具有相互解耦的三维探测能力。
[0018]2.本传感器可以通过改变显微物镜a、显微物镜b的放大率来改变传感器的测量分辨力，节约成本以满足不同场合的要求。
[0019]3.光学探测信号仅在光纤内部传输，不受微尺度构件遮蔽效应的影响，测量最大深径比可达40: 1，满足大深径比微结构测量要求。
【专利附图】

【附图说明】
[0020]图1是基于三光纤共球耦合的微测量力瞄准传感器结构示意图。
[0021]图中:1、激光器,2、扩束准直镜,3、光纤稱合透镜,4、导管,5、待测微孔,6、入射光纤，7、耦合器，8、出射光纤a，9、出射光纤b，10、探针，11、显微物镜b，12、CCD相机b，13、显微物镜a，14、CXD相机a，15、计算机。
【具体实施方式】
[0022]下面结合附图对本发明实施例作进一步详细描述。
[0023]一种基于三光纤共球耦合的微测量力瞄准传感器包括激光器1、扩束准直镜2、光纤耦合透镜3、导管4、探针10、显微物镜al3、(XD相机al4和计算机15，数据线将CXD相机al4与计算机15连通，探针10置于待测微孔5内，所述探针10包括入射光纤6、耦合器7和出射光纤a8，耦合器7作为探针10的触点分别与入射光纤6和出射光纤a8连接，激光器I发出的光束经扩束准直镜2和光纤耦合透镜3后进入入射光纤6，光束经入射光纤6导入耦合器7后由出射光纤a8导出，导出光束经显微物镜al3进入CXD相机al4，所述探针10还包括出射光纤b9，所述出射光纤b9与耦合器7连接，且出射光纤b9的末端呈80-100°弯曲状，光束经入射光纤6导入I禹合器7后由出射光纤b9导出，导出光束经显微物镜bll进入CXD相机bl2，数据线将CXD相机bl2与计算机15连通。
[0024]所述出射光纤b9的末端弯曲角度优选为90°。
[0025]利用导管4将入射光纤6弯曲以便提供图像捕获空间，也可以不使用导管4，而直接用热定型法将入射光纤6弯曲，以便提供图像捕获空间。利用热定型法将出射光纤b9的末端弯曲80-100°，以便感知沿轴方向的作用力，与出射光纤a8配合从而实现三维探测能力，其中当出射光纤b9的末端弯曲角度为90°时，其在沿轴方向具有最高的灵敏度。
[0026]本发明的工作过程如下:
[0027]提前半小时打开激光器1，使激光器I发出的光束稳定。调整光纤稱合透镜3与入射光纤6之间的相对位置与姿态，保证最大光能量进入入射光纤6。调整出射光纤a8与显微物镜al3、出射光纤b9与显微物镜bll之间的相对位置与姿态,保证出射光纤a8的出射端面相对显微物镜al3、出射光纤b9的出射端面相对显微物镜bll是近轴区内物体，以提高成像质量。将探针10伸入待测微孔5内部，并使之与待测微孔5产生相对位移，当耦合器7与待测微孔5孔壁接触时，通过显微物镜al3、显微物镜bll将探针10在待测微孔5内的微小触测位移量转变为CCD相机al4、CCD相机bl2图像捕捉系统的横向位移量，即通过CCD相机al4对探针10在X向与Y向的触测位移量进行探测，通过CCD相机bl2对探针10在Z向的触测位移量进行探测，最终由图像质心定位算法实现对孔壁测量时的高精度三维瞄准。
【权利要求】
1.一种基于三光纤共球耦合的微测量力瞄准传感器，所述传感器包括激光器(I)、扩束准直镜(2)、光纤耦合透镜(3)、导管(4)、探针(10)、显微物镜a(13)、CCD相机a(14)和计算机(15)，数据线将CCD相机a (14)与计算机(15)连通，探针(10)置于待测微孔(5)内，所述探针(10)包括入射光纤(6)、耦合器(7)和出射光纤a(8)，耦合器(7)作为探针(10)的触点分别与入射光纤(6)和出射光纤a(8)连接，激光器(I)发出的光束经扩束准直镜(2)和光纤耦合透镜(3)后进入入射光纤(6)，光束经入射光纤(6)导入耦合器(7)后由出射光纤a(8)导出，导出光束经显微物镜a(13)进入CCD相机a(14)，其特征在于:所述探针(10)还包括出射光纤b (9)，所述出射光纤b (9)与耦合器(7)连接，且出射光纤b (9)的末端呈80-100°弯曲状，光束经入射光纤(6)导入耦合器(7)后由出射光纤b(9)导出，导出光束经显微物镜b (II)进入C⑶相机b (12)，数据线将C⑶相机b (12)与计算机(15)连通。
2.根据权利要求1所述的基于三光纤共球耦合的微测量力瞄准传感器，其特征在于:所述出射光纤b (9)的 末端弯曲角度优选为90°。
【文档编号】G01B11/00GK103900470SQ201410118924
【公开日】2014年7月2日 申请日期:2014年3月20日 优先权日:2014年3月20日
【发明者】崔继文, 李俊英, 谭久彬 申请人:哈尔滨工业大学